טכניקות לשיפור של אי תיאום עכבות
מאת: קליאסלבאן רחאבן (Kalaiselvan Raghavan)
וגירידהארן קרישנאמורתי (Giridharan Krishnamurthy) – Mini-Circuits
הקדמה
תיאום עכבות הוא נושא מורכב עטור מידה מסוימת של מסתוריות. כאשר נתקלים בתקלה במעגל או בבעיות מערכתיות, ברוב רובם של המקרים מייחסים את הסיבה לאי תיאום בעכבות. לכן, קיימים מקרים רבים שבהם יש צורך להתאים את העכבה של העומס לעכבה של מקור האות על מנת להגדיל למקסימום את העברת ההספק. קיימות טכניקות שונות ורבות להגיע לתיאום העכבות, והשימוש הטוב ביותר בכל אחת יהיה תלוי במצב. מאמר זה יסקור את עקרונות הבסיס של תיאום עכבות ויתאר כמה מהטכניקות היעילות שמשמשות בדרך כלל, על מנת להתגבר על אי תיאום עכבות במעגל.
הבנת המושג אי תיאום עכבות: סקירת הרעיון
המספרים העיקריים החשובים בהערכת אי תיאום עכבות הם יחס גלים עומדים (VSWR – יג”ע) במתח, הפסדי החזרה (return loss) והפסדי אי תיאום עכבות. להלן סקירת הגדרות המושגים האלו:
יג”ע (VSWR)
כאשר קו תמסורת מחובר לעכבה ZL שאינה שווה לעכבה האופיינית של קו התמסורת, ZO, לא כל ההספק שמגיע לקצה קו התמסורת נקלט בהתקן המחובר. חלק מההספק מוחזר לכיוון המקור, כך שהחיבור והחיסור של מופע (פאזה) הגלים של האות המוחזר מקצה קו התמסורת יוצרים תבנית של גלים עומדים במתח בקו התמסורת. היחס בין המתח המרבי למתח המזערי, כאשר נקודות מקסימום ומינימום עוקבות נמצאות במרחק של 180 מעלות (λ/2) ידוע כיחס גלים עומדים (VSWR – יג”ע).
הפסדי החזרה
הפסדי החזרה הם מדד בערכי dB של יחס ההספק בין גל האות המגיע לקצה קו התמסורת לבין הגל המוחזר. לפי הגדרה זו, להפסדי החזרה יהיה תמיד ערך חיובי. למשל אם לעומס יש הפסדי החזרה של 10 dB, החלק העשירי של ההספק שמגיע לקצה קו התמסורת יוחזר. ככל שהפסדי ההחזרה גבוהים יותר, יאבד חלק קטן יותר מההספק של האות המועבר.
הפסדי אי תיאום עכבות
הפסדים אלו הם מדד להנחתה של ההספק המשודר כתוצאה מההחזרה של האות. הפסדי אי תיאום עכבות מחושבים באמצעות הנוסחה הבאה:
לדוגמה, למסנן עם יג”ע של 2:1 יהיה מקדם החזרה של 0.333, הפסדי אי תיאום עכבות של 0.51 dB והפסדי החזרה של 9.54 dB (11% מההספק המשודר מוחזרים לכיוון המקור). במערכות מסוימות, יש חשיבות לערכים אלו שמעידה על הצורך להשתמש ברכיבים עם יג”ע נמוך.
מה גורם לאי תיאום עכבות?
אי תיאום עכבות במעגל יכול להיגרם על ידי כמה גורמים. ביניהם נכללים נקודות אי רציפות בנתיב הפיסי של השידור שפוגעות באיכות האות, קווים עם סיומת לא מתואמת ונקודות אי רציפות פתאומית (step discontinuity) בעכבה. מכל הסיבות האלו, קווים עם נקודות אי רציפות פתאומיות הן הנפוצות ביותר, מפני שלקוחות משתמשים לעתים קרובות בחומרי מצע (substrate) בעלי רוחב מוליך שונה מהמומלץ על ידי יצרן הרכיב.
ניקח לדוגמה את תבנית הפרישה המוצעת באיור 1, המראה את עקבת מעגל של מסנן מעביר פס. המשטחים (pad) הירוקים מציינות את משטחי האות, המשטחים החומות מציינות את משטחי ההארקה.
באופן כללי, אם עקבת אות ת”ר (RF) תואמת במדויק לרוחב של משטח האות, החזרת האות מוקטנת למינימום. ההדמיה של תגובת הפסדי ההחזרה בשלושת המקרים שמתוארים באיור 1 מוצגת באיור 2.
במקרה 1 יש יחס רוחב של 1:4 בין משטח האות למשטח ההעברה והפסדי החזרה של 5 dB עד dB 10, במקרה 2 יש יחס של 1:1.6 והפסדי החזרה של 10 dB עד 15 dB ובמקרה 3 יש יחס של 1:1 והפסדי החזרה של יותר מ- 30 dB על פני טווח התדירויות שנבדקו בסריקה. מקרים אלו מדגימים שאי תיאום עכבות יחסי הפוך ליחס בין רוחב משטח האות רוחב משטח ההעברה. אי התיאום מוקטן למינימום כאשר למשטח האות ולמשטח ההעברה יש אותו רוחב.
טכניקות לשיפור תיאום העכבות
קיימות טכניקות רבות שבהן אפשר להשתמש לשיפור תיאום העכבות במעגל. אחת מהן היא להוסיף מנחת מתואם לפני עכבה של עומס לא מתואם. אי התיאום שנצפה בכניסה של המנחת משתפר במידה השווה לפי שניים מערך המנחת. נשתמש בדוגמה של מנחת של 3 dB. הספק האות שבכניסת המנחת יונחת ב-3 dB כאשר יגיע לעומס. אות זה יוחזר ב- 100% על ידי העומס ויעבור הנחתה נוספת של 3 dB בהספק, לפני חזרתו לכניסת המנחת, ובכך תהיה הנחתה כוללת של 6 dB. מכאן שהפסדי ההחזרה השתפרו ב- 6 dB ולכן התיאום השתפר. החיסרון בטכניקה זו הוא שהמשרעת (אמפלטודה) של האות העובר הונחתה גם היא ב- 3 dB, ועל כך יש לפצות ברשתות הסמוכות.
רשת LC יכולה אף היא לשמש כרשת לתיאום עכבות. באופן בסיסי, זו רשת L, שהיא מעגל פשוט של משרן-קבל (LC), שבה אפשר להשתמש כדי לתאם טווח רחב של עכבות במעגלי ת”ר. קיימות 4 גרסאות בסיסיות של רשת L, שתיים הן גרסאות של רשתות מעבירות נמוכים ושתי גרסאות הן של רשתות מעבירות גבוהים. הגרסאות מעבירות הנמוכים משמשות באופן הנרחב ביותר, מאחר שהן מנחיתות הרמוניות, רעש ואותות בלתי רצויים אחרים, הנחתה שנדרשת בתכנוני מערכות ת”ר. על אף שרשת L רב תכליתית מאוד, אין היא מתאימה בכל מצב. קיימות מגבלות לגבי טווח העכבות שהיא יכולה לתאם. במקרים מסוימים הערכים המחושבים של ההשראות או הקיבול עלולים להיות גדולים או קטנים מכדי להיות מעשיים בטווח תדירויות נתון. לעתים, אפשר להתגבר על בעיה זו על ידי מעבר מרשת L מעבירת נמוכים לרשת L מעבירת גבוהים או להיפך.
טכניקה פופולרית אחרת היא השימוש בשנאי תיאום עכבות. שנאים אלו מעבירים את עכבת העומס כריבוע יחס השנאת המתח. היחס של השנאת המתח תלוי במספר הכריכות של סליל המבוא (הראשוני) מחולק במספר הכריכות של סליל המוצא (המשני). לצורך שימוש בתדר רדיו, השנאים עשויים לעתים בתצורות של קו תמסורת ולעתים מכבל דו גידי או מכבל קואקסיאלי שכרוך סביב ליבת פריט. סוג זה של שנאים מספק טווח רחב במיוחד של רוחב פס, אך בטכניקה זו אפשר לקבל רק מספר מוגבל של ערכי יחס (למשל 1:9, 1;4 או 1:2). לעומת זאת, ליבת הפריט מגדילה באופן משמעותי את ההשראות ובד בבד מקטינה את הגורם Q שלה. הליבות של שנאים כאלו משפרות בדרך כלל את הביצועים בקצה התחתון של טווח התדירויות.
יישום בעולם הממשי
CBP-1300F-1+ של Mini-Circuits הוא מסנן מעביר פס במהוד (resonator) קרמי עם פס העברה בטווח שבין 1200 – 1400 מגה הרץ. אחד הלקוחות השתמש בדגם זה במעגל מודפס, שבו יחס רוחב משטח האות לרוחב משטח ההעברה היה 1:4. הלקוח ביקש המלצות לשיפור תיאום המעגל, ו- Mini-Circuits הציעה לו שתי אפשרויות.
אפשרות 1: לשנות את רפידת האות כדי שתתאים לרוחב רפידת ההעברה
כפי שראינו, שינוי רוחב משטח האות על מנת שתתאים לרוחב משטח ההעברה מקטין למינימום את אי התיאום בין הרכיב למצע. פרישת מעגל הלקוח והשינוי המוצע מוצגים באיור 3.
הפרישה שעברה שינוי נבדקה בהשוואה לפרישה של מעגל הלקוח באמצעות מדידות של הפסדי ההחזרה בסריקה מ- 1000 מגה הרץ עד 1700 מגה הרץ. תוצאות הבדיקה מוצגות באיור 4.
בדיקה גילתה ששינוי רוחב משטח אות שיפר באופן משמעותי את תיאום העכבות. הקו האדום המלא באיור 4 מציג את ביצועי הפסדי ההחזרה בפרישה של מעגל הלקוח ומראה שהם 10 dB בערך. הקו הירוק המקווקו מציג את ביצועי הפסדי ההחזרה לאחר שרוחב משטח האות עבור שינוי. הפסדי החזרה במקרה זה השתפרו ל- 20 dB בערך ואדוות (ripple) פס המעבר קטנו באופן משמעותי גם הן.
אפשרות 2: חיבור סליל להארקה במוצא
שיטה נוספת לתיאום העכבות במעגל, היא חיבור סליל של 18nH להארקה במוצא של המסנן, כפי שמוצג באיור 5. שיטה זו יוצרת רשת תיאום עכבות LC שבה ההשפעה של הקבל המקבילי (shunt) מוקטנת על ידי התהודה עם הסליל של 18nH.
גם כאן, הבדיקה בוצעה על ידי השוואת הפסדי ההחזרה בפרישה של מעגל הלקוח להפסדי ההחזרה בפרישה החלופית המוצעת על פני סריקה מ- 1000 מגה הרץ עד 1700 מגה הרץ. תוצאות הבדיקה מוצגות באיור 6.
חיבור סליל של 18nH להארקה שיפר אף הוא את תיאום העכבות במעגל. הקו האדום המלא באיור 6 מייצג את ביצועי הפסדי ההחזרה בפרישה של מעגל הלקוח, והם 10 dB בערך. הקו הכחול המקווקו מציג את הביצועים לאחר חיבור משרן של 18 ננו הנרי במוצא אל ההארקה. הפסדי ההחזרה במקרה השני השתפרו ל- 20 dB בערך ואדוות פס המעבר קטנו.
מסקנות
תיאום עכבות היא בעיה שמופיעה במעגלים רבים, ולא פעם נדרשות טכניקות לשיפור אי תיאום עכבות. הפתרונות שנדונו לעיל יכולים לעזור ולספק תיאום עכבות טוב כאשר במעגל הלקוח יש פרישות של משטחים שונים מאלו המשמשים ברכיב. הטכניקה המתאימה ביותר תלויה במעגל המסוים ובסיבה לאי תיאום העכבות.
